在过去20年中,基于射频超导技术的超导腔由于其极低的以运行在连续波与长脉冲模式下的特点,被广泛应用于国际上各种大型加速器项目中,如欧洲自由电子激光(European XFEL)、国际直线对撞机(ILC)、美国费米实验室的兆瓦级质子加速器项目(Proiect X)、美国杰弗逊实验室的连续电子束加速器(CEBAF)升级计划以及正在筹建中的BNL的eRHIC电子-质子对撞机项目。正是基于如此广泛的应用前景,近年来,如何提高射频超导腔的RF性能以及就此展开的各种关于限制超导腔性能的物理因素的研究已经成为国际上射频超导领域的研究热点。　　近年来,越来越多的超导腔测试结果表明,现阶段超导腔发展技术水平下,Quench已经成为限制超导腔性能的一个主导性因素。各实验室的超导腔测试经验表明,大量的细晶腔在其Quench位置处存在尺度为100-500μm的几何缺陷,且缺陷的位置大都分布于超导腔内磁场最强处(赤道焊缝附近)。磁场和缺陷在Quench现象中共同发挥着一种机制性作用——“磁场诱发热失超”。具体来讲,腔内几何缺陷可以导致缺陷周边出现磁场局域性增强,在没有其它外来污染的情况下,超导腔会由于缺陷处磁场超过铌材临界磁场而失超。本论文正是在此背景之下展开“磁场诱发热失超”这种超导腔Quench机制的研究的。论文主体分为两个部分:(1)超导腔腔内缺陷的表征,焊接工艺、化学处理(BCP和EP)对腔内缺陷和超导腔:RF性能的影响;(2)“磁场诱发热失超”的物理机制研究——“几何缺陷-磁场放大-超导腔Quench”三者之间的物理关联。　　本论文将会介绍在Jefferson实验室采用的三种缺陷表征技术:Kyoto camera,replica-profilometer和replica-HIROX,同时,会介绍由这三种技术构成的一套系统的缺陷表征方法:(1)采用Kyoto camera对历次化学处理或者机械抛光处理之后的超导腔的所有赤道及iris区域进行系统的光学检测,对相关缺陷拍摄高清图片存档:(2)在超导腔测试过程中,采用二声子测量法(OST)或者T-mapping等方法对Quench位置的缺陷进行定位,然后对该缺陷采用replica-profilometer或者replica-HROX技术进行3D形貌分析;(3)对比3D形貌分析结果与历次Kyoto camera的测试结果,对缺陷的拓扑形貌进行系统分析。　　Jefferson实验室的Replica技术采用WACKER dental ADS931 A&B两种材料,按照一定的比重混合后,将其浇注到腔内缺陷处,待混合材料凝固后将其从腔内提取出来,即制成包含缺陷形貌信息的阴模。随即,采用STYCAST2850 FTBLACK和CATALYST9两种材料制备阳模,将两种材料按照一定比重混合,浇注到阴模上,对阴模上的缺陷信息进行复制,最终得到的阳模即反映了缺陷的正常形貌信息。这种阳模材料非常坚固,足以采用轮廓仪对其进行表面形貌扫描。通过不断的完善改良,目前,样品测试表明,这种replica-profilomete缺陷表征技术的精度已经达到1μm。　　实验中,我们发现,受制于轮廓仪的扫描深度(对于Jefferson实验室的profilometer轮廓仪,其极限扫描深度为326μm),replica-profilometer技术的应用有一定的局限性——不适合分析深度缺陷。为了对深度缺陷也可以进行3D形貌表征,采用William&Mary表面物理实验室的HIROX光学显微镜系统,结合replica技术对深度缺陷进行3D扫描。该方法采用光学显微镜的多层聚焦功能对缺陷的不同深度的位置进行光学拍摄,将不同聚焦情形下所得的图片分析整合,最终制成反映缺陷形貌的3D图像,该方法的精度为1μm。　　还开发了一套基于C++语言的3D计算机程序,该程序的基本思想为:采用网格划分的方式将超导腔腔体分成若干个网格,每个网格对应一个热传导方程,对方程进行离散化的同时引入各关键物理参数如铌材的热导、铌-液氦交界处的Kapitza热导、液氦温度、腔内磁场和腔内表面电阻等,然后对得到的方程组采用超松弛迭代法进行收敛计算,收敛的结果即为每个网格点的温度分布。　　利用该程序,采用计算机模拟的方式对缺陷几何形貌产生的磁场放大、超导腔RF性能及Quench现象的机理性关联进行了系统的研究。计算结果显示:(1)如果腔内存在几何缺陷,且超导腔在该几何缺陷位置处失超,则腔外壁的温度将随着腔内馈入功率的增加而呈现出“四阶段上升”的特点,目前,这种腔壁温度阶段性上升方式已经在Jefferson实验室得到证实;(2)由于局部磁场增强作用,在腔内功率上升过程中,超导腔内缺陷位置处会产生一个微小的非超导区域,这个区域在一定磁场强度范围内可以稳定存在,并随着腔内馈入磁场的增加而增大,当腔内馈入功率达到某个特定值时,腔体的热导已经不能将腔内缺陷生热都导入到腔外液氦中,整腔内表面迅速热崩溃,于是发生“磁场诱发热失超现象。　　为了从实验上探索缺陷几何形貌对超导腔失超现象的作用,加工了一只CEBAF腔形的单cell腔,并在腔内赤道焊缝附近磁场最强处制作了四个几何参数可知的人工缺陷。对该腔进行RF测试与T-mapping温度表征的结果表明,所有四个人造缺陷对应的腔外表面都产生了明显的表面温升的现象(Preheating),腔的RF性能受限于Quench,Quench发生于磁场增强效应最大的一处缺陷,且产生Quench的加速梯度也在事先预计之中。此外,随着腔内馈入场增加,缺陷位置对应的腔外表面温升呈现出明显的分四个阶段上升的特点,这和理论计算结果完全一致。在本论文第五章中,将会系统阐述该实验的结果及其与“磁场诱发热失超”物理模型之间的关联。